【正文】 而造成對數(shù)據(jù)的破壞或丟失。 (3) 自然因素，即存放在磁盤上的數(shù)據(jù)，隨著時間的推移將可能發(fā)生溢出或逐漸消失。 磁盤容錯技術(shù) 為了確保文件系統(tǒng)的安全性 ， 可針對上述原因而采取以下措施： (1) 通過存取控制機制來防止由人為因素所造成的 (2) 通過磁盤容錯技術(shù)，來防止由磁盤部分的故障 (3) 通過“后備系統(tǒng)”來防止由自然因素所造成的不安全性。 1．第一級容錯技術(shù) SFTⅠ 第一級容錯技術(shù) (SFTⅠ )是最基本的一種磁盤容錯技術(shù)，主要用于防止因磁盤表面缺陷所造成的數(shù)據(jù)丟失。 1) 雙份目錄和雙份文件分配表 在不同的磁盤上或在磁盤的不同區(qū)域中，分別建立 (雙份 )目錄表和 FAT。其中一份為主目錄及主 FAT；另一份為備份目錄及備份 FAT。 1．第一級容錯技術(shù) SFTⅠ 2) 熱修復(fù)重定向和寫后讀校驗 (1) 熱修復(fù)重定向：將磁盤容量的一部分作為熱修復(fù)重定向區(qū)，用于存放壞磁盤的待寫數(shù)據(jù)。 (2) 寫后讀校驗方式。從內(nèi)存緩沖區(qū)向磁盤中寫入一個數(shù)據(jù)塊后，又立即從磁盤上讀出該數(shù)據(jù)塊，并與寫入緩沖區(qū)的內(nèi)容進行比較。若兩者不一致， 重寫。若重寫后兩者仍不一致， 重寫入熱修復(fù)重定向區(qū)，標(biāo)記壞盤塊。 。 2．第二級容錯技術(shù) SFTⅡ 第二級容錯技術(shù)主要用于防止由磁盤驅(qū)動器和磁盤控制器故障所導(dǎo)致的系統(tǒng)不能正常工作 1) 磁盤鏡像 (Disk Mirroring) 在同一磁盤控制器下再增設(shè)一個完全相同的磁盤驅(qū)動器。在每次向主磁盤寫入數(shù)據(jù)后，都將數(shù)據(jù)再寫到備份磁盤上。 磁盤鏡像雖然實現(xiàn)了容錯功能，卻使磁盤的利用率降至僅為 50%。 磁 盤 控 制 器 主 機 通道 磁盤驅(qū)動器 磁盤鏡像示意圖 2．第二級容錯技術(shù) SFTⅡ 2) 磁盤雙工 (Disk Duplexing) 磁盤雙工，即將兩臺磁盤驅(qū)動器分別接到兩個磁盤控制器上，同樣使這兩臺磁盤機鏡像成對。 在磁盤雙工時，文件服務(wù)器同時將數(shù)據(jù)寫到兩個處于不同控制器下的磁盤上，使兩者有完全相同的位像圖。 特點：每個磁盤有自己獨立的通道，可同時將數(shù)據(jù)寫入，加塊數(shù)據(jù)讀取速度。 主 機 磁盤 控制器 磁盤 控制器 通道 通道 磁盤驅(qū)動器 磁盤雙工示意圖 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 所謂集群 ， 是指由一組互連的自主計算機組成統(tǒng)一的計算機系統(tǒng) ， 給人們的感覺是 ， 它們是一臺機器 。 利用集群系統(tǒng)不僅可提高系統(tǒng)的并行處理能力 ， 還可用于提高系統(tǒng)的可用性 。 其主要工作模式有三種： ① 熱備份模式； ② 互為備份模式； ③ 公用磁盤模式 。 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 1) 雙機熱備份模式 在這種模式的系統(tǒng)中，備有兩臺服務(wù)器，兩者的處理能力通常是完全相同的，一臺作為主服務(wù)器，另一臺作為備份服務(wù)器。平時主服務(wù)器運行，備份服務(wù)器則時刻監(jiān)視著主服務(wù)器的運行，一旦主服務(wù)器出現(xiàn)故障，備份服務(wù)器便立即接替主服務(wù)器的工作而成為系統(tǒng)中的主服務(wù)器，修復(fù)后的服務(wù)器再作為備份服務(wù)器。 主服務(wù)器 MSL 備用服務(wù)器 傳輸介質(zhì) 雙機熱備份模式 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 2) 雙機互為備份模式 在雙機互為備份的模式中，平時，兩臺服務(wù)器均為在線服務(wù)器，它們各自完成自己的任務(wù)，在互為備份的模式中，最好在每臺服務(wù)器內(nèi)都配置兩臺硬盤，一個用于裝載系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序，另一個用于接收由另一臺服務(wù)器發(fā)來的備份數(shù)據(jù)，作為該服務(wù)器的鏡像盤。 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 如果某臺服務(wù)器發(fā)生了故障，則由正常服務(wù)器向故障服務(wù)器的客戶機發(fā)出廣播信息，表明要進行切換。在切換成功后，客戶機無需重新登錄便可繼續(xù)使用網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)和訪問服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。 這種模式的優(yōu)點是兩臺服務(wù)器都可用于處理任務(wù)，因而系統(tǒng)效率較高。 數(shù)據(jù)庫 服務(wù)器 電子郵件 服務(wù)器 交換集線器 路由器 具有兩臺 硬盤 具有兩臺 硬盤 FDDI單模光纖 雙機互為備份系統(tǒng)的示意圖 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 3) 公用磁盤模式 將多臺計算機連接到一臺公共的磁盤系統(tǒng)上去。該公共磁盤被劃分為若干個卷。每臺計算機使用一個卷。如果某臺計算機發(fā)生故障，根據(jù)某種調(diào)度策略來選擇另一臺替代機器，后者接替故障計算機所承擔(dān)的任務(wù)。 這種模式的優(yōu)點是：消除了信息的復(fù)制時間，因而減少了網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的開銷。 數(shù)據(jù)一致性控制 是指事務(wù)執(zhí)行的結(jié)果必須是使文件中保存的同一個數(shù)據(jù)相一致。 數(shù)據(jù)一致性，是數(shù)據(jù)應(yīng)用中必須解決的一個重要問題。 事務(wù) 1. 事務(wù)的定義 事務(wù)是用于訪問和修改各種數(shù)據(jù)項的一個程序單位 。事務(wù)也可以被看做是一系列相關(guān)讀和寫操作 。 只有對分布在不同位置的同一數(shù)據(jù)所進行的操作全部完成時 ， 才能再以托付操作來終止事務(wù) 。 一個夭折的事務(wù)，須將該事務(wù)內(nèi)剛被修改的數(shù)據(jù)項恢復(fù)成原來的情況，使系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)項與該事務(wù)未執(zhí)行時的數(shù)據(jù)項內(nèi)容完全相同。 2．事務(wù)記錄 (Transaction Record) ? 為了實現(xiàn)上述的原子修改，通常須借助于稱為事務(wù)記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。該記錄中包括有下列字段 : ? 事務(wù)名：用于標(biāo)識該事務(wù)的惟一名字； ? 數(shù)據(jù)項名：指被修改數(shù)據(jù)項的惟一名字； ? 舊值：修改前數(shù)據(jù)項的值； ? 新值：修改后數(shù)據(jù)項將具有的值。 3. 恢復(fù)算法 (1) undo〈 Ti〉 ：該過程把所有被事務(wù) Ti修改過的 (2) redo〈 Ti〉 ：該過程能把所有被事務(wù) Ti修改過 如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)應(yīng)對以前所發(fā)生的事務(wù)進行清理。 檢查點 1. 檢查點 (Check Points)的作用 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時 ， 必須去檢查整個 Log表 ， 來完成事務(wù)的清理工作 。 由于記錄的數(shù)據(jù)可能非常多 ，在事務(wù)記錄表中的記錄清理起來就非常費時 。 引入檢查點的主要目的 ， 是使對事務(wù)記錄表中事務(wù)記錄的清理工作經(jīng)?；?， 即每隔一定時間便做一次清理工作 。 每當(dāng)出現(xiàn)一個 〈 檢查點 〉 記錄時 ， 系統(tǒng)便利用redo和 undo過程實現(xiàn)恢復(fù)功能 。 2．新的恢復(fù)算法 ? 恢復(fù)例程首先查找事務(wù)記錄表，確定在最近檢查點以前開始執(zhí)行的最后的事務(wù) Ti，并利用 redo和undo過程對它們進行處理。 ? 如果把所有在事務(wù) Ti以后開始執(zhí)行的事務(wù)表示為事務(wù)集 T，則新的恢復(fù)操作要求是 : 對所有在 T中的事務(wù) TK，如果在事務(wù)記錄表中出現(xiàn)了 〈 TK托付 〉 記錄，則執(zhí)行 redo〈 TK〉 操作；反之，則執(zhí)行 undo〈 TK〉 操作。 并發(fā)控制 ? 由于事務(wù)具有原子性，這使各個事務(wù)的執(zhí)行必然是按某種次序依次執(zhí)行的，只有在一個事務(wù)執(zhí)行完后，才允許另一事務(wù)執(zhí)行。人們把這種特性稱為順序性。把用于實現(xiàn)事務(wù)順序性的技術(shù)稱為并發(fā)控制。 ? 利用互斥鎖實現(xiàn)“順序性” ? 利用互斥鎖和共享鎖實現(xiàn)順序性 1．利用互斥鎖實現(xiàn) “ 順序性 ” 實現(xiàn)順序性的一種最簡單的方法是，設(shè)置一種用于實現(xiàn)互斥的鎖，簡稱為互斥鎖 (Exclusive Lock)。在利用互斥鎖實現(xiàn)順序性時，應(yīng)為每一個共享對象設(shè)置一把互斥鎖。當(dāng)一事務(wù) Ti要去訪問某對象時，應(yīng)先獲得該對象的互斥鎖。若成功，便用該鎖將該對象鎖住，于是事務(wù) Ti便可對該對象執(zhí)行讀或?qū)懖僮?；而其它事?wù)由于未能獲得該鎖而不能訪問該對象。 2．利用互斥鎖和共享鎖實現(xiàn)順序性 ? 利用互斥鎖實現(xiàn)順序性的方法簡單易行。但這卻存在著效率不高的問題。 ? 為了提高運行效率而又引入了另一種形式的鎖 —— 共享鎖。共享鎖與互斥鎖的區(qū)別在于 : 互斥鎖僅允許一個事務(wù)對相應(yīng)對象執(zhí)行讀或?qū)懖僮?，而共享鎖則允許多個事務(wù)對相應(yīng)對象執(zhí)行讀操作，不允許其中任何一個事務(wù)對對象執(zhí)行寫操作。 重復(fù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)一致性問題 1．重復(fù)文件的一致性 對于通常的 UNIX文件目錄，其每個目錄項中含有一個 ASCII碼的文件名和一個索引結(jié)點號，后者指向一個索引結(jié)點。當(dāng)有重復(fù)文件時，一個目錄項可由一個文件名和若干個索引結(jié)點號組成，每個索引結(jié)點號都是指向各自的索引結(jié)點。 文件名 i 結(jié)點 文件 1 17 文件 2 22 文件 3 12 文件 4 84 文件名 i 結(jié)點 文件 1 17 19 40 文件 2 22 72 91 文件 3 12 30 29 文件 4 84 15 66 UNIX類型的目錄 1．重復(fù)文件的一致性 在有重復(fù)文件時，如果一個文件拷貝被修改，則必須也同時修改其它幾個文件拷貝。這可采用兩種方法來實現(xiàn)： 第一種方法是當(dāng)一個文件被修改后，可查找文件目錄，然后對這些拷貝做同樣的修改； 第二種方法是為新修改的文件建立幾個拷貝，并用新拷貝去取代原來的文件拷貝。 2．盤塊號一致性的檢查 為了描述盤塊的使用情況，通常利用空閑盤塊表 (鏈 )來記錄所有尚未使用的空閑盤塊的編號。文件分配表 FAT則是用于記錄已分配盤塊的使用情況。由于 OS經(jīng)常訪問這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而如果正在修改時，機器突然發(fā)生故障，此時也會使盤塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不一致性現(xiàn)象。因此，在每次啟動機器時，都應(yīng)該檢查相應(yīng)的多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，看它們之間是否保持了數(shù)據(jù)的一致性。 盤塊號 計數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計數(shù)器組 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 盤塊號 計數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計數(shù)器組 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 (a) 正常情況盤塊號 (b) 丟失了盤塊盤塊號 盤塊號 計數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計數(shù)器組 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 盤塊號 計數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計數(shù)器組 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 (c) 空閑盤塊號重復(fù)出現(xiàn)盤塊號 (d) 數(shù)據(jù)盤塊號重復(fù)出現(xiàn) 3. 鏈接數(shù)一致性檢查 配置一張計數(shù)器表 ， 為每個文件建立一個表項 ，記錄該索引結(jié)點號的計數(shù)值 。 檢查時 ， 從根目錄開始查找 ， 當(dāng)在目錄中遇到該索引結(jié)點號時 ， 在該計數(shù)器表中相應(yīng)文件的表項上加 1。 檢查完后 ，將該計數(shù)器表中每個表項中的索引結(jié)點號計數(shù)值與該文件索引結(jié)點中的鏈接計數(shù) count值加以比較 ，如果兩者一致 ， 表示是正確的；否則 ， 便是發(fā)生了鏈接數(shù)據(jù)不一致的錯誤 。